مقدمة
في السنوات الأخيرة ، أحرزت سيارات الطاقة الجديدة تقدمًا كبيرًا في أسواق السيارات الرئيسية في جميع أنحاء العالم. وفقًا للبيانات من جمعية مصنعي السيارات الأوروبية ACEA ، فإن حجم التسجيل التراكمي لمركبات الطاقة الجديدة (BEV+ PHEV) في بلدان الاتحاد الأوروبي من يناير إلى أكتوبر 2023كان حوالي 1.94 مليون. وحدات ، زيادة على أساس سنوي تبلغ حوالي 32 ٪ ، ومعدل اختراق يزيد عن 20 ٪ ؛ وفقًا للبيانات الصادرة عن جمعية سيارات الصين للركاب ، بلغت مبيعات التجزئة الجديدة للسيارات في الصين في نفس الفترة 5.962 مليون وحدة ، وزيادة على أساس سنوي قدرها 34.7 ٪ ، ومعدل اختراق 34.5 ٪.
مع توسيع السوق ونضج السلسلة الصناعية ذات الصلة ، تغيرت مركبات الطاقة الجديدة منذ فترة طويلة من كونها مدفوعة بالسياسة إلى كونها مدفوعة بالمنتج. من منتجات السيارات الكهربائية الجديدة في السنوات الأخيرة ، يمكننا أيضًا أن نرى أنه كانت هناك تحسينات كبيرة من حيث القيادة المستقلة ، قمرة القيادة الذكية ، نطاق الإبحار ، وأداء نظام القيادة الكهربائية.
العاكس الرئيسي محرك الأقراص هو مكون رئيسي للتحكم في محرك محرك الأقراص الرئيسي. إنه يحول طاقة DC لحزمة البطارية إلى طاقة التيار المتردد لمحرك القيادة. تحدد كفاءة التحويل إلى حد كبير أداء استهلاك الطاقة للسيارة. في الوقت نفسه ، تحدد قوة الذروة لعاكس محرك الأقراص الرئيسي مع محرك القيادة الرئيسي عالي الأداء أيضًا الأداء الكلي للسيارة.
ما هو عاكس قوة السيارة الكهربائية؟
عاكس طاقة السيارة الكهربائية هو جهاز يحول التيار المباشر (مثل الناتج عن البطاريات وزجاجات التخزين) إلى تيار متناوب (مثل موجة جيبية 220 فولت ، 50 هرتز) مع تردد قابل للتعديل. هناك نوعان من مآخذ الطاقة المستخدمة في الحياة: 220 فولت/110 فولت. على الرغم من أننا لا نملك طريقة لتخزين التيار المتناوب ، يمكننا تخزين التيار المباشر في البطاريات ثم استخدام المحولات لتحويل التيار المتردد إلى العاصمة. بسبب الجهد العالي وطاقة الطاقة العالية الجديدةالمحركات الكهربائية، يتم استخدام محركات التيار المتردد التي لا تتطلب فرشاة للفرشاة في النظر في كفاءة أعلى وعمر أطول. يمكن إنشاء مجال مغناطيسي دوار على الجزء الثابت من خلال التيار بالتناوب ، وبالتالي التخلص من قيود ركاب الفرشاة وقيادة الدوار للوصول إلى السرعة وعزم الدوران المطلوب تحت عمل المجال المغناطيسي الدوار. يحول العاكس محرك الطاقة ، وهو جهاز تحويل الطاقة ، التيار المباشر الجهد العالي لبطارية الطاقة إلى التيار المتناوب المطلوب بواسطة محرك الطاقة.
3. كيف يعمل العاكس في سيارة كهربائية؟
مبدأ العمل لعاكس الطاقة الكهربائية
في الوقت نفسه ، يجب مزامنة المجال المغناطيسي الدوار الناتج عن عاكس محرك الطاقة من خلال التيار بالتناوب بدقة مع المجال المغناطيسي الدائم للدوار ، أو غير متزامن مع التحكم في المجال المغناطيسي المستحث للدوار. مستشعر موضع الدوار هو جوهر التشغيل الموثوق لعاكس محرك الطاقة. يعتمد مستشعر موضع الدوار على مبدأ محول دوار ويتألف من ملفات تحريض متعددة مثبتة على الجزء الثابت وقرص CAM المعدني مثبت على الدوار. كل ملف التعريفي لديه متعرج الإثارة وملفتين ثانويتين.
4. الوظائف الرئيسية لعاكس طاقة السيارة الكهربائية
يحتوي العاكس على ثلاث وظائف رئيسية في السيارة الكهربائية:
1. تحويل طاقة التيار المستمر للبطارية إلى طاقة التيار المتردد من ثلاث مراحل لقيادة المحرك.
2. قم بتغيير عزم الدوران وسرعة المحرك عن طريق تغيير الجهد والتردد من خلال العاكس.
3. تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية لشحن البطارية أثناء استرداد الطاقة.
محركات تحريض AC في السيارات الكهربائية
في المركبات الكهربائية الهجينة والنقية ، يتم استخدام العولات بشكل شائع ، كما هو موضح في نماذج مثل Tesla و Toyota Corolla Hybrid و Baic EV160. المحركات الكهربائية المستخدمة في السيارات الكهربائية مدفوعة بواسطة طاقة التيار المتردد. عن طريق تغيير تواتر وسعة طاقة التيار المتردد ، يمكن ضبط سرعة وقوة المحرك. كلما ارتفع تواتر الجهد الدافئ ، كلما زادت سرعة المحرك ، وكلما زادت سعة الجهد الدافئ ، زادت قوة المحرك. ومع ذلك ، لا توجد طريقة لتخزين طاقة التيار المتردد. تقوم بطاريات سيارات الطاقة الجديدة بتخزين طاقة العاصمة ، والتي لا يمكن استخدامها مباشرة لدفع محركات التيار المتردد. لذلك ، هناك حاجة إلى محول لتحويل طاقة التيار المستمر في حزمة بطارية السيارة إلى طاقة التيار المتردد يمكن استخدامها بواسطة المحرك.
هناك نقطتان رئيسيتان في تصميم مصدر الطاقة العاكس للمركبة. أحدهما هو زيادة جهد البطارية إلى 220 فولت ، والآخر هو أن التردد يجب أن يكون 50 هرتز. لزيادة الجهد من 12 فولت إلى 220 فولت ، يتم استخدام دائرة مروحية دفعة. يتم استخدام دائرة Boost Chopper لتحقيق ذلك. نظرًا لأن جهد الخرج أعلى بكثير من جهد الإدخال ، فإن عامل التعزيز يبلغ حوالي 18 عامًا. من مبدأ العمل في دائرة التعزيز ، من السهل معرفة أن دورة العمل حوالي 0.95. من الممكن نظريًا ، لكن من الصعب تنفيذ دائرة التعزيز في الممارسة العملية. لذلك ، يجب تحقيق الدعم بمساعدة محول. إذا كان المحول يستخدم محول التردد الصناعي ، فسيكون الحجم والوزن أكبر بكثير من حجم محول التردد العالي عندما تكون طاقة الإخراج هي نفسها ، وهو أمر غير مقبول للناس. لذلك ، يتم استخدام محول التردد العالي ودائرة تحويل عالية التردد. بمساعدة محول التردد العالي ، يتم تحويل جهد 12V إلى 220 فولت ، ويجب أن يكون تردد الخرج أيضًا ترددًا مرتفعًا. لا يمكن استخدام العديد من الأجهزة الكهربائية التي تستخدم الكهرباء 220 فولت بشكل مباشر مع AC عالية التردد 220V. مطلوب مزيد من التحويل لتحويل الطاقة DC عالية التردد إلى 50 هرتز AC. من الهيكل العام ، تحتوي الدائرة المصممة على جزأين: يحول الجزء الأول 12 فولت DC إلى AC عالي التردد عالي 220 فولت بمساعدة محول التردد العالي ودائرة التحويل المقابلة ، والجزء الثاني يحول التردد العالي 220V AC في 50 هرتز 220 فولت AC.
5. فوائد العاكس الكهربائي للسيارة
يقع العاكس على سيارة كهربائية نقية في وحدة التحكم في المحرك (MCU). بالإضافة إلى العاكس ، هناك أيضًا وحدة تحكم مجتمعة في MCU. MCU هو مركز التحكم في نظام الطاقة بأكمله. يستقبل وحدة التحكم إشارة الطلب لمحرك محرك الأقراص. عندما تتسارع فرامل السيارة أو تسارعها ، تتحكم وحدة التحكم في تواتر العاكس لجعل السيارة تتحرك. يتلقى العاكس ناتج طاقة التيار المستمر بواسطة بطارية الطاقة ، ويؤدي إلى قوة التيار المتردد من ثلاث مراحل لتوفيرها للمحرك للتشغيل ، ويلعب دور الكبح واستعادة الطاقة الكهربائية أثناء عملية الفرامل للسيارة الكهربائية. كما هو موضح في الشكل أدناه ، يتكون العاكس من 6 IGBTs ، وترتيب نموذج X هو SA-SC. يتم توصيل كل خط إخراج مرحلة (IA و IB و IC) للمحرك وخطوط DC الإيجابية والسلبية بـ IGBT. لا يمكن أن يعمل عنصر التبديل IGBT في العاكس عندما تتجاوز درجة حرارته 150 درجة ، لذلك يجب استخدام تدابير تبريد الهواء أو تبريد الماء. عندما تقوم السيارة بالإبلاغ عن خطأ في نظام محرك القيادة ، مثل ارتفاع درجة الحرارة لمحرك القيادة ، والارتفاع في درجة حرارة سائل تبريد المحرك ، وما إلى ذلك ، نحتاج إلى استخدام أداة تشخيصية لقراءة المعنى المحدد لرمز الخطأ ، لأن الخطأ يتم عرضه على لوحة القيادة ليس محددًا للغاية.
6. ما وراء المركبات: التطبيقات الأخرى
تطبيق المحولات واسعة النطاق للغاية ، ويغطي حقول متعددة وسيناريوهات تطبيق محددة. فيما يلي بعض مناطق تطبيقات العاكس الرئيسية: نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ، توليد الطاقة الشمسية ، توليد طاقة الرياح ، نظام UPS ، مجال الطيران ، إلخ.
7. الاتجاهات الناشئة في تكنولوجيا عاكس الطاقة الكهربائية
يحول العاكس الرئيسي (الرئيسي) في مركبة كهربائية جهد بطارية DC إلى جهد التيار المتردد ، وبالتالي تلبية متطلبات جهد التيار المتردد لمحرك الجر الكهربائي ، مما يمكّنه من قيادة السيارة بسلاسة. أحدث الاتجاهات في تصميم العاكس الرئيسي محرك الأقراص تشمل:
زيادة الطاقة: كلما زاد إنتاج الطاقة في العاكس ، كلما أسرعت السيارة وأكثر استجابة للسائق.
تعظيم الكفاءة: قلل من كمية الكهرباء التي يستهلكها العاكس لزيادة الطاقة المتاحة لقيادة السيارة.
زيادة الجهد: حتى وقت قريب ، كانت بطاريات 400 فولت هي المواصفات الأكثر شيوعًا في السيارات الكهربائية ، لكن صناعة السيارات تتجه نحو 800 فولت لتقليل سماكة الكابل والوزن الحالي. للقيام بذلك ، يجب أن يكون العاكس الرئيسي للمحرك في السيارات الكهربائية قادرًا على التعامل مع هذا الجهد العالي واستخدام المكونات المناسبة.
تقليل الوزن والحجم: يحتوي SIC على كثافة طاقة أعلى (KW/KG) من IGBTs القائمة على السيليكون. تساعد كثافة الطاقة الأعلى في تقليل حجم النظام (KW/L) ، مما يقلل من وزن العاكس الرئيسي للمحرك مع تقليل الحمل على المحرك. يساعد انخفاض وزن السيارة في تمديد عدد الكيلومترات للمركبة بنفس البطارية ، مع تقليل حجم مجموعة القيادة وزيادة المساحة المتاحة للركاب والجذع.
بالمقارنة مع السيليكون ، يحتوي كربيد السيليكون على العديد من المزايا من حيث خصائص المواد ، مما يجعله خيارًا أفضل لتصميم العاكس الرئيسي. الأول هو صلابةها الجسدية ، التي تصل إلى صلابة 9.5 MOHS ، في حين أن السيليكون هو صلابة 6.5 MOHS ، لذلك فإن كربيد السيليكون أكثر ملاءمة للتلبيس عالي الضغط ولديه سلامة ميكانيكية أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون (4.9W/CM.K) تزيد عن أربعة أضعاف السيليكون (1.15 واط/سم مكعب) ، مما يعني أنه يمكنه نقل الحرارة بشكل أكثر فعالية وتعمل بشكل موثوق في درجات حرارة أعلى. يزيد جهد انهيار كربيد السيليكون (2500 كيلو فولت/سم) أكثر من 8 أضعاف من السيليكون (300 كيلو فولت/سم) ، وله خاصية عريضة للفرقة يمكن أن يتم تشغيلها وإيقافها بشكل أسرع ، مما يجعله خيارًا أفضل للجهد العالي بشكل متزايد (800 فولت) بنية السيارات الكهربائية. في الوقت نفسه ، يعني الجهد الأوسع نطاقًا للخلاف أن لديه خسائر أقل من السيليكون. لا يحتوي SIC-MOSFET على تيار الذيل ، وتنقل الناقل العالي ، ويقلل من خسائر تبديل الجهاز. تدمج وحدة SI-IGBT الصمام الثنائي للاسترداد السريع (FRD) ، والذي سيكون له تيار الاسترداد العكسي وتيار الذيل عند إيقاف تشغيله ، مما يؤدي إلى سرعة تبديل محدودة وخسائر كبيرة في الإقلاع. تحتوي مادة SIC على كثافة تيار أعلى وحجم حزمة أصغر في نفس مستوى الطاقة.
8. التحديات في تطوير عاكس الطاقة الكهربائية
في عاكس الجر ، متحكم (MCU) هو دماغ النظام ، وأداء التحكم في المحرك ، وجهد أخذ العينات والتيار من خلال المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) ، وحساب خوارزميات التحكم في المجال (FOC) باستخدام النوى المغناطيسية ، وترانزستورات حقل الطاقة (FETS). باستخدام إشارات تعديل عرض النبض (PWM).
بالنسبة إلى MCU ، يجلب الانتقال إلى 800 فولت مانعات الجر ثلاثة تحديات: 1. متطلبات أداء التحكم في الوقت الفعلي مع انخفاض الكمون 2. زيادة متطلبات السلامة الوظيفية 3. الحاجة إلى الاستجابة بسرعة لفشل النظام
حتى في بيئات درجات الحرارة العالية ، لا يزال حلنا فعالًا ، مما يجعل تطبيق العاكسات على نطاق صغير ممكنًا. في الوقت الحاضر ، في تصميم المركبات الكهربائية والهجينة ، قامت الشركات المصنعة بحل مشكلات فعالة مثل القدرة على التحمل الطاقة والطاقة والموثوقية وفعالية التكلفة مع معرفتها المهنية وخبراتهم ، وقد تم الاعتراف بها على نطاق واسع في الصناعة.
ناقشنا مع العديد من كبار المهندسين من مصنعي المعدات الأصلية في مجال تطوير حزمة البطارية ، واقترحوا أن يكون نطاق القيادة الأمثل من السيارات الكهربائية حوالي 400 كيلومتر ، وإذا كان يمكن تقليل الحجم والوزن ، فقد تكون المركبات الكهربائية أكثر كفاءة. استنادًا إلى هذا الرأي ، سوف يقلل OEMs بوعي عدد البطاريات لجعل السيارة أخف وزناً وأكثر فعالية من حيث التكلفة مع استمرار تلبية متطلبات النطاق.
مع إنتاج المزيد من السيارات الكهربائية ، سيتحول اتجاه التصميم إلى تقنية SIC و 800V ، في حين أن هناك حاجة إلى تحسين أداء التحكم في المحرك وتلبية متطلبات السلامة الوظيفية لمحولات الجر.
9. التوقعات المستقبلية لمحولات الطاقة الكهربائية
تقوم بعض شركات صناعة السيارات بإنشاء شراكات مع موردي أشباه الموصلات/الرقائق للانتقال إلى تكنولوجيا SIC.
في عام 2021 ، أعلن Rohm Semiconductor و Geely تعاونًا لتطوير أجهزة الطاقة SIC. بموجب الشراكة ، ستستخدم Geely أجهزة الطاقة في Rohm في محولات القيادة وأنظمة الشحن على متن الطائرة ، بهدف تمديد نطاق سياراتها الكهربائية.
المحركات العامة: في عام 2021 ، وقعت شركة جنرال موتورز اتفاقية المورد مع Wolfspeed ، Inc. ، حيث ستوفر Wolfspeed أجهزة طاقة SIC لمحركات GM's Ultium Drive.
Mercedes-Benz: في عام 2022 ، أعلنت أشباه الموصلات أن تقنية SIC الخاصة بها للمزولات قد استخدمت مرسيدس بنز في مركبة EQXX الكهربائية EQXX بالكامل.
Volkswagen: في يناير 2023 ، أنشأت فولكس واجن شراكة استراتيجية مع Onsemi. وفقًا للاتفاقية ، ستزود OnSemi Volkswagen بوحدات الطاقة SIC (وحدات الطاقة النخبة) وتقنيات السيارات الكهربائية من الجيل التالي من فولكس واجن.
سينمو إجمالي الطلب على العاكس العالمي من 43.99 مليون وحدة في 2023 إلى 120 مليون وحدة في عام 2034 ، مع معدل نمو سنوي مركب قدره 9.55 ٪. حاليًا ، تعد عاكسات IGBT أكثر أنواع العاكس استخدامًا على نطاق واسع في جميع أنواع السيارات الكهربائية في جميع أنحاء العالم ، تليها Si Mosfet. ومع ذلك ، مع زيادة الطلب على BEVS والتحول إلى بنية 800V ، من المرجح أن يزداد الطلب على محولات SIC. بحلول عام 2034 ، ستصل حصة السوق من محولات SIC و IGBT إلى 44 ٪ و 45 ٪ ، على التوالي ، مقسمة بالتساوي تقريبًا.
10. الخلاصة
مع استمرار الطلب على الكفاءة المحسنة ونطاق القيادة الممتد ، ستشهد صناعة السيارات أن غالبية السيارات الكهربائية لشركات صناعة السيارات تتحول إلى 800 فولت بنية. نظرًا لكفاءة التبديل العالية والخسائر المنخفضة لمحولات SIC ، سيكون الطلب قويًا وسيتم اعتمادهم على نطاق واسع. سيؤدي التبني الواسع النطاق لمزولات SIC إلى قيادة العديد من شركات صناعة السيارات والموردين لاختيار الاندماج رأسياً مع شركات أشباه الموصلات لتأمين SIC.